兩級高輕載效率數(shù)字功率變換器的研究

史永勝，田衛(wèi)東，高靜茹，李　利，高丹陽

（陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

兩級高輕載效率數(shù)字功率變換器的研究

史永勝，田衛(wèi)東，高靜茹，李利，高丹陽

（陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

針對電源輕載效率低的問題，提出了一種數(shù)字（DSP）集成控制方法。該方法同時控制PFC級直流輸出母線電壓和全橋部分的開關(guān)時序，輕載時，通過調(diào)整母線電壓并降低開關(guān)頻率來減小開關(guān)損耗和環(huán)路電流損耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該變換器在10%額定負(fù)載下效率能達(dá)到90%，在5%額定負(fù)載下效率仍高于80%。

母線電壓；開關(guān)方法；移相全橋（PSFB）；輕載效率

0　引言

電源的輕載效率是當(dāng)今信息時代電源設(shè)備進(jìn)一步發(fā)展的必要關(guān)注課題之一。

為提高輕載效率，提出了許多方法：針對移相全橋變換器，文獻(xiàn)[1-3]從死區(qū)時間角度出發(fā)，引入輔助電路或直接加寬死區(qū)時間，這改善了輕載效率，但是電路復(fù)雜度和負(fù)載實(shí)時靈活性降低，加上額外的損耗，限制效率的進(jìn)一步提升；文獻(xiàn)[4]通過動態(tài)調(diào)整母線電壓降低開關(guān)損耗，但是沒有對后級電路做進(jìn)一步的研究；文獻(xiàn)[5-6]通過分模式控制，提高了 DC/DC部分的輕載效率，但是沒有考慮母線電壓對效率的影響。

本文研究的兩級變換器如圖1所示，在輕載情況下，母線電壓動態(tài)調(diào)整在降低開關(guān)管應(yīng)力的同時使移相全橋的占空比保持在最大值，并且全橋部分工作在PWM控制和PWM Burst控制模式下，以進(jìn)一步減小開關(guān)損耗和環(huán)路電流損耗；當(dāng)負(fù)載增加到一定值時，全橋變換器改用移相控制。最后，基于TI的DSP平臺(TMS320F28335)，設(shè)計(jì)一臺 600 W的試驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證控制方法的正確性和有效性。

圖1　兩級功率變換器結(jié)構(gòu)圖

1　兩級結(jié)構(gòu)及其集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)(Server system architecture，SSI)標(biāo)準(zhǔn)[7]，該電源系統(tǒng)分為兩級，前級 AC/DC變換器，后級DC/DC變換器，如圖1所示。前級PFC廣泛采用 Boost變換器結(jié)構(gòu)[8-9]，還要滿足 EN61000-3-2等的對電流諧波的要求，同時為達(dá)到功率因數(shù)校正的目的，對輸入電壓采樣并作為輸入電流的參考值，使輸入電流與輸入電壓同相位；后級移相全橋（PSFB）在無輔助原件條件下完成零電壓開關(guān)且適用于大、中功率場合的特點(diǎn)使它在DC/DC部分得到廣泛應(yīng)用[10]。

圖2為集成控制時序圖，按照輸出電流值大小主要分為三種模態(tài)：模態(tài)1，極輕載（0～5%），母線電壓保持在較低水平（340 V），直接采用PWM驅(qū)動信號，此時，原副邊的電流都很小，整流體二極管導(dǎo)通損耗極小，原邊幾乎無環(huán)流；模態(tài) 2，輕載（5%～20%），進(jìn)入 PWM Burst控制模式，該模式下，母線電壓還是保持在較低水平（340 V），當(dāng)輸出電壓超過其額定值的1%不再發(fā)出驅(qū)動信號，否側(cè)有驅(qū)動信號，而且，在該模式下的開關(guān)頻率低于正常工作開關(guān)頻率，且母線電壓值較低，使得輕載主要的開關(guān)損耗大大降低；模態(tài)3，進(jìn)入移相控制模式，該模式下能自然實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，且母線電壓動態(tài)調(diào)整，使占空比保持在最大值，從而減小損耗，提升整體效率，當(dāng)重載(70%～100%)時母線電壓保持在400 V以滿足重載保持時間的要求[11]。

圖2　集成控制時序圖

圖3為母線電壓自適應(yīng)調(diào)整流程圖，母線電壓不斷調(diào)整使移相全橋的占空比保持在最大值 0.48T，0.2T的時間為瞬態(tài)裕度和死區(qū)時間。

2　損耗分析

分別對移相控制和PWM控制下的全橋變換器做損耗分析。

2.1移相控制下的全橋變換器損耗

根據(jù)參考文獻(xiàn)[10-11]，原邊開關(guān)管的關(guān)斷損耗Poff_p：

圖3　母線電壓自適應(yīng)調(diào)整流程圖

式中，td(off)為開關(guān)管關(guān)斷時間，Coss_p為原邊開關(guān)管等效并聯(lián)電容，IPP為原邊峰值電流。

原邊開關(guān)管開通損耗為 Pon_p：

其中，Ip2為原邊電感續(xù)流終止電流。

原邊單只開關(guān)管通態(tài)損耗 PMOSFET_con_p：

式中，I1，rms是變壓器正常工作原邊電流有效值，是原邊環(huán)流期電流有效值。

同步整流管的通態(tài)損耗 PMOSFET_con_s：

式中 IDS_s_rms是流過管子的電流有效值，電感和變壓器通態(tài)損耗 Pinductor_con，PTR_con：

式中 IL，rms為電感電流有效值。

磁芯損耗 Pcore：

2.2PWM控制下的全橋變換器損耗

原邊開關(guān)管開關(guān)損耗 PSW_loss，p：

副邊開關(guān)損耗 PSW_loss，s：

開關(guān)管的通態(tài)損耗 PMOSFET_con_p：

變壓器通態(tài)損耗 PTR_con：

電感與磁芯損耗見式(5)、式(7)。

2.3損耗分布與對比

圖4為輕載及極輕載時，一般移相控制和本文集成控制下的損耗對比，集成控制下效率提升了2.14%。

圖4　輕載及極輕載模式下移相控制與集成控制損耗

由圖2知，在輕載與極輕載模式下變換器開關(guān)管有效工作時序均為PWM信號。結(jié)合圖5中變換器理論效率曲線，可知PWM全橋變換器在輕載和極輕載情況下確實(shí)能提高變換器的輕載效率。

圖5　效率曲線

3　仿真與實(shí)驗(yàn)分析

首先基于Psim9.0對電路進(jìn)行了仿真。主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：諧振電感 Lr=48 μH，變壓器變比 n=54:8，開關(guān)頻率fs=100 kHz，死區(qū)時間 tdead=300 ns。

如圖6、圖7分別為輕載和極輕載條件下的工作波形，在仿真基礎(chǔ)上搭建一臺600 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，該變換器在達(dá)到高輕載效率的同時能保證正常工作較大負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS。圖8為Q1驅(qū)動波形圖，其他驅(qū)動波形類似。

圖6　輕載工作波形

圖7　極輕載工作波形

圖8　Q1零電壓轉(zhuǎn)換

圖9　整機(jī)效率

圖9將本文中集成控制下的變換器與傳統(tǒng)全橋變換器的整機(jī)效率作比較?？梢钥闯?，在低于5%額定負(fù)載的情況下，效率能維持在70%以上，5%～20%額定負(fù)載情況下效率達(dá)到90%以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)全橋變換器效率。原因在于，本論文搭配輸出電壓可調(diào)的PFC并分模態(tài)控制變換器，使得變換器具有較高輕載效率。另外，數(shù)字控制減少了控制環(huán)路器件，減少了整機(jī)損耗。

4　結(jié)論

本文重點(diǎn)研究了兩級功率變換器的輕載效率，結(jié)合數(shù)字控制技術(shù)提出了一種集成控制策略。在輕載和10%額定負(fù)載下效率分別提升了 6.9%、10.0%，可以對服務(wù)器、適配器等電源的發(fā)展起到進(jìn)一步推動作用。

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Research on two-stage power converter based on digital control with high light load efficiency

Shi Yongsheng，Tian Weidong，Gao Jingru，Li Li，Gao Danyang
(College of Electrical and Information Engineering,Shaanxi University of Science&Technology，Xi′an 710021，China)

To solve the disadvantage of traditional-anlog power supply low and less efficiency under light load condition,the scheme of digital integrated control based on the DSP is proposed.The basic idea of the proposed control technique is to control both DC-link voltage of PFC stage and switching method of full-bridge stage.Under light load condition,the output voltage of PFC stage is adjusted dynamically and switch frequency to reduce the switching losses and circulating current losses.The results indicate，in 10%load condition，the efficiency reaches 85%，and in 5%load condition，the efficiency is higher than 80%.The integrated control scheme can improve efficiency.

DC-link voltage；switching scheme；phase-shift full-bridge converter(PSFB)；light load efficiency

TM461

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.040

2016-01-30)(

2016-02-09)(

2016-01-19)

史永勝（1964-），男，博士，主要研究方向：特種電源和先進(jìn)光電器件。

田衛(wèi)東（1990-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：AC/DC變換器，E-mail：1101284761@qq.com。

高靜茹（1991-），女，碩士研究生，主要研究方向：新型電子器件和AC/DC變換器。

中文引用格式：史永勝，田衛(wèi)東，高靜茹，等.兩級高輕載效率數(shù)字功率變換器的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (8)：162-165.

英文引用格式：Shi Yongsheng，Tian Weidong，Gao Jingru，et al.Research on two-stage power converter based on digital control with high light load efficiency[J].Application of Electronic Technique，2016，42(8)：162-165.